半导体器件基础.ppt

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1、问题：1.常用电子器件有哪些？2.这些器件有什么特点？,主讲:章春娥,第2章 半导体器件基础,第2章 半导体器件基础,2.1 半导体基础知识2.2 PN结2.3 半导体二极管2.4 双极型晶体管（三极管）2.5 场效应晶体管,2.1 半导体基础知识,一、半导体的特性二、本征半导体三、杂质半导体,一、半导体特性,物体分类,导体,导电率为105s.cm-1，量级，如金属,绝缘体,导电率为10-22-10-14 s.cm-1量级，如：橡胶、云母、塑料等。,导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓等。,半导体,半导体特性,掺入杂质则导电率增加几百倍,掺杂特性,半导体器件,温度增加使导电率大为增

2、加,温度特性,热敏器件,光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势,光照特性,光敏器件光电器件,二、本征半导体及半导体的能带,本征半导体,完全纯净、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。纯度：99.9999999%，“九个9”它在物理结构上呈单晶体形态。,常用的本征半导体,+4,晶体特征,在晶体中，质点的排列有一定的规律。,硅（锗）的原子结构简化模型,价电子,正离子,注意：为了方便，原子结构常用二维结构描述，实际上是三维结构。,锗晶体的共价键结构示意图 半导体能带结构示意图,价带中留下的空位称为空穴,自由电子定向移动形成电子流,本征半导体的原子结构和共价键结构,共价键内的电子称为束缚电子,外电场E

3、,束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流,1,2,二、本征半导体及半导体的能带（续）,挣脱原子核束缚的电子称为自由电子,1.本征半导体中有两种载流子,自由电子和空穴,它们是成对出现的,2.在外电场的作用下，产生电流,电子流和空穴流,电子流,自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动,空穴流,价电子递补空穴形成的与外电场方向相同始终在价带内运动,二、本征半导体及半导体的能带（续）,3.本征半导体在热力学温度和没有外界能量激发下，不导电。,本征半导体的载流子的浓度,电子浓度ni:表示单位体积的自由电子数空穴浓度pi:表示单位体积的空穴数。,A0与材料有关的常数EG禁带宽度T绝对

4、温度K玻尔曼常数,1.本征半导体中 电子浓度ni=空穴浓度pi,2.载流子的浓度与T、EG有关,二、本征半导体及半导体的能带（续）,载流子的产生与复合,g载流子的产生率 即每秒成对产生的电子空穴的浓度。R载流子的复合率 即每秒成对复合的电子空穴的浓度。当达到动态平衡时 g=R R=r nipi 其中r复合系数，与材料有关,二、本征半导体及半导体的能带（续）,三、杂质半导体,杂质半导体,掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高。,掺入的三价元素如B（硼）、Al（铝）等，形成P型半导体，也称空穴型半导体。,掺入的五价元素如P（磷）、砷等，形成N型半导体，也称电子型半导体。,N型半导体,在

5、本征半导体中掺入的五价元素如P。,自由电子是多子,空穴是少子,杂质原子提供,由热激发形成,由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子。,三、杂质半导体（续）,P型半导体,在本征半导体中掺入的三价元素如B。,自由电子是少子,空穴是多子,杂质原子提供,由热激发形成,因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。,三、杂质半导体（续）,杂质半导体（续）,杂质半导体的载流子浓度,因掺杂的浓度很小，可近似认为复合系数R保持不变，在一定温度条件下，空穴与电子浓度的乘积为一常数，即存在如下关系。,n p,=ni pi,=ni

6、2=C,在杂质型半导体中，多子浓度比本征半导体的浓度大得多，而少子浓度比本征半导体的浓度小得多，但两者乘积保持不变，并等于ni2。,N型半导体：施主杂质的浓度ND n 表示总电子的浓度 p 表示空穴的浓度,n=p+ND ND（施主杂质的浓度p）,P型半导体：NA表示受主杂质的浓度，n 表示电子的浓度 p 表示总空穴的浓度,p=n+NA NA（受主杂质的浓度n）,2.2 PN结,一、PN结的形成二、PN结的接触电位差三、PN结的伏安特性四、PN结电容五、PN结的反向击穿六、PN结的光电效应与电致发光,一、PN结的形成,P区,N区,扩散运动,载流子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动形成的电流成

7、为扩散电流,内电场,内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动同时促进少子向对方漂移即促进了漂移运动,扩散运动=漂移运动时达到动态平衡,3,耗尽层=PN结,内电场阻止多子扩散,因浓度差,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,扩散运动,多子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动。扩散运动产生扩散电流。,漂移运动,少子向对方漂移,称漂移运动。漂移运动产生漂移电流。,动态平衡,扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。,PN 结,稳定的空间电荷区,，又称高阻区,，也称耗尽层。,一、PN结的形成（续）,内电场,内电场的建立，使PN结中产生电位差。从而形成接触电

8、位U,接触电位U决定于材料及掺杂浓度,二、PN结的接触电位差,硅：U=0.60.7 V锗：U=0.20.3 V,三、PN结的伏安特性,1.PN结加正向电压时的导电情况,外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。PN结呈现低阻性，处于导通状态。,P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,内,4,外,2.PN结加反向电压时的导电情况,外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。此时PN结区少子漂移电流

9、大于扩散电流，可忽略扩散电流。PN结呈现高阻性，近似认为截止状态。,P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；,内,5,外,三、PN结的伏安特性（续）,由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,小结：PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；,PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。,4,5,三、PN结的伏安特性（续）,问题：有必要加电阻R吗？,式中 Is 饱和电流;UT=kT/q 温度电压当量 k 波尔兹曼常数；q为电子的电量；T=300k（室温）时 UT=26mv,PN结两端的电压与流过PN结电流的关系式,由半导体物理可推出：,当加反向电压时：,当加

10、正向电压时：,(UUT),三、PN结的伏安特性（续）,3.PN结电流方程,当加反向电压时：,当加正向电压时：,(UUT),三、PN结的伏安特性（续）,结电流方程,四、PN结电容,势垒电容CB,当外加电压不同时，耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，与电容的充放电过程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容为势垒电容。,扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。,四、PN结电容（续）,注意：势垒电容和扩散电容均是非线性电容,并同

11、时存在。外加电压变化缓慢时可以忽略，但是变化较快时不容忽略。,扩散电容CD,外加电压不同情况下，P、N区少子浓度的分布将发生变化，扩散区内电荷的积累与释放过程与电容充放电过程相同，这种电容等效为扩散电容。,五、PN结的反向击穿,反向击穿：,PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象。,雪崩击穿,当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。,齐纳击穿,当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。,击穿是可逆。掺杂浓度小的二极管容易发生。,击穿是可逆。掺杂浓度大的二

12、极管容易发生。,不可逆击穿,热击穿。,PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁。,一、晶体二极管的结构类型二、晶体二极管的伏安特性三、晶体二极管的等效电阻四、光电二极管五、发光二极管六、稳压二极管七、变容二极管八、二极管的典型应用,2.3 晶体二极管,一、晶体二极管的结构类型,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。,二极管按结构分,点接触型,面接触型,平面型,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路,PN结面积大，用于工频大电流整流电路,往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,伏安特性：是指二极管两

13、端电压和流过二极管电流之间的关系。由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线，,1.当加正向电压时,PN结电流方程为：,2.当加反向电压时,I 随U，呈指数规率,I=-Is,基本不变,二、晶体二极管的伏安特性,晶体二极管的伏安特性,1.正向起始部分存在一个死区或门坎，称为门限电压。硅：Ur=0.5-0.6V;锗：U。2.加反向电压时，反向电流很小 即Is硅(nA)Is锗(A)硅管比锗管稳定。3.当反压增大UB时再增加，反向激增，发生反向击穿，UB称为反向击穿电压。,实测伏安特性,二、晶体二极管的伏安特性（续）,晶体二极管的伏安特性,正向起始部分存在一个死区或门坎，称为门限电压。加反向电压时，反向电

14、流很小。Is硅(nA)Is锗(A)硅管比锗管稳定。当反压增大VBR时再增加，反向激增，发生反向击穿，VBR称为反向击穿电压。,实测伏安特性,二、晶体二极管的伏安特性（续）,材料 门限电压 导通电压 Is/A硅 0.50.6V 0.7V 0.1锗 0.10.2V 0.3V 几十,非线性电阻,直流电阻R,(也称静态电阻）,交流电阻r,（又称动态电阻或微变电阻）,1.直流电阻及求解方法,定义,二极管两端的直流电压UD与电流ID之比,D,三、晶体二极管的等效电阻,三、晶体二极管的等效电阻(续）,直流电阻的求解方法：,借助于静态工作点Q（IQ，UQ）来求。,方法一：解析法,列写二极管电流方程和电路方程：

15、,解方程组，得到二极管静态工作电流IQ和电压UQ，,三、晶体二极管的等效电阻(续）,方法二：图解法,U=ED-IRL,绘制直流负载线,U=0 I=ED/RL,I=0 U=ED,ED/RL,ED,Q,由静态工作点Q点得IQ和UQ，从而求出直流电阻,直流负载线与伏安特性曲线的交点,由电路可列出方程：,2.交流电阻rD的计算方法,室温（T=300K）下,UT=26mV。交流电阻：r=26mV/IQ(mA),定义：,注意:交流电阻rD与其静态工作点Q有关。,说明：二极管正偏时，rD很小（几至几十欧姆）二极管反偏时，rD很大（几十千至几兆欧姆）。,四、光电二极管,1定义：,有光照射时，将有电流产生的二极

16、管。,2 类型：,PIN型、,PN型、,雪崩型,3结构：,和普通的二极管基本相同,4工作原理：,利用光电导效应工作，PN结工作在反偏态，当光照射在PN结上时，束缚电子获得光能变成自由电子，形成光生电子空穴对，在外电场的作用下形成光生电流。,IP,注意：应在反压状态工作UD=-IPRL,光电二极管,1.定义：,将电能转换成光能的特殊半导体器件。,3.常用驱动电路：,直流驱动电路,交流驱动电路,普通发光二极管红外发光二极管,2.类型,五、发光二极管,4.工作原理：当管子加正向电压时，在正向电流激发下，管子发光，属电致发光。,注意：发光二极管在加正向电压时才发光。,六、稳压二极管,稳压二极管,是应用

17、在反向击穿区的特殊二极管,稳压特性：,在反向击穿时，电流急剧增加而PN结两端的电压基本保持不变。,正向部分与普通二极管相同。,工作区在反向击穿区,特性参数：,1.稳定电压VZ:,反向击穿电压。,2.最大工作电流Izmax:,受耗散功率的限制，使用时必须加限流电阻。,稳压二极管,特性参数：,1.稳定电压VZ:,2.最大工作电流Izmax:,3.动态电阻,，RZ很小，十几欧姆几十欧姆。,稳压管使用方法：稳压二极管在工作时应反接,并串入一只电阻。电阻R的作用：一是起限流作用，以保护稳压管。二是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。

18、,六、稳压二极管（续）,Z,七、变容二极管,利用结势垒电容CT随外电压U的变化而变化的特点制成的二极管。,符号：,注意：使用时，应加反向电压。,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,附 录,半导体二极管图片,附 录,半导体二极管图片,附 录,半导体二极管图片,附 录,应用一：整流电路,整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路。,半波整流,iD,uL,八、二极管的应用,半波整流输出电压平均值为,UDC,其中：U2是u2的有效值 E2m是u2的最大值,E2m,设,全波整流,八、二极管的典型应用（续）,桥式整流,UDC0.9U2,八、二极管的典型应用（续）,u2 0时,u2

19、0时,应用二：LED显示器,a,b,c,d,f,g,+5V,共阳极电路,共阴极电路,控制端为高电平对应二极管发光,控制端为低电平对应二极管发光,e,八、二极管应用（续）,应用三：稳压电路。工作原理：利用稳压二极管提供稳定的直流电压。,八、二极管的典型应用（续）,应用四：限幅电路。工作原理：利用二极管单向导电性，限定输出信号的幅度。,八、二极管的典型应用（续）,应用五：钳位电路。,结论：利用二极管和电容，把一个双向的周期信号信号转变为单向的信号，并保持原信号波形的电路。,工作原理：当输入ui0时，二极管瞬间导通，C快速充电，Uc=V1，充电结束，R无电流，输出uo=0.当输入ui0时，二极管截止

20、，C充放电缓慢，输出uo=-Uc+ui=-V1-V2。,小 结,半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物体。具有一系列特殊的性能，如掺杂、光照和温度都可以改变半导体的导电性能。利用这些性能可制作成具有各种特性的半导体器件。PN结是构成半导体器件的基础，具有单向导电性、非线性电阻特性、电容效应、击穿稳压特性。当PN结加正向电压时，PN结导通，呈现低阻特性。当PN结加反向电压时，PN结截止，呈现高阻特性。,晶体二极管实际上就是一个PN结，描述二极管的性能 常用二极管的伏安特性，可用二极管的电流方程来描述。即二极管两端的电压和流过的电流满足I=Is(e U/UT-1)。硅管：当UD0.7V时，二

21、极管导通，导通后，UD=0.7V锗管：当UD0.3V时，二极管导通，导通后，UD=0.3V 稳压管是一种应用很广的特殊类型的二极管，工作区在反向击穿区。可以提供一个稳定的电压。使用时注意加限流电阻。晶体二极管基本用途是整流稳压和限幅等。半导体光电器件分光敏器件和发光器件，可实现光电、电光转换。光电二极管应在反压下工作，而发光二极管应在正偏电压下工作。,小 结,重点：晶体二极管的原理、伏安特性及电流方程。难点：1.两种载流子 2.PN结的形成 3.单向导电性 4.载流子的运动,重点难点,例题：判断图示电路中的二极管能否导通。,解题思路：判断二极管在电路中工作状态的方法是先假设二极管断开，分别计算

22、二极管两极的电压，然后比较阳极电压与阴极间将承受的电压，如果该电压大于二极管的导通电压，则说明二极管导通，否则截止。如果判断过程中，电路出现两个以上的二极管承受大小不等的正向电压，则应判定承受正向电压较大者优先导通，其两端电压为导通电压，然后在用上述方法判断其他二极管的导通状态。,结果：,则 VA VB，二极管为截止状态。,填空：1.在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于（A），少数载流子的浓度则与（B）有很大关系。,A 掺杂浓度 B 温度。,2.N型半导体又称为（A）半导体，其多数载流子是（B），少数载流子是（C）。,A 电子 B 电子 C 空穴。,3.整流二极管的主要特性是（A），它的

23、两个参数是（B）。,A.单向导电性 B.稳定电压VZ即反向击穿电压UBR和最大工作电流。,4.二极管导通时，在电路中表现为（A）电阻。,A.小电阻,选择填空：1.稳压二极管通常工作在（）状态下，能够稳定电压。,A正向导通 B反向截止 C反向击穿,答：C,2.PN加反向偏置时，空间电荷区（）。,A.变宽 B.变窄，C.不变。D.不确定,答：A,2.4 双极型晶体管,一、晶体三极管的结构及工作原理二、三极管的伏安特性曲线三、三极管的参数四、温度对三极管参数的影响,一、晶体三极管的结构及工作原理,双极结型晶体管（Bipolor Junction Transtor,BJT),BJT特点：有三个引出电极

24、，所以双极结型晶体管BJT也称为晶体三极管或简称晶体管或三极管。,三极管符号,一、晶体三极管的结构及工作原理（续）,三极管的结构,E-B间的PN结称为发射结(Je),C-B间的PN结成为集电结(Jc),从结构上看主要有两种类型：,NPN型,PNP型,发射区,集电区,基区,发射极E,基极B,集电极C,发射极E基极B集电极C,发射区基区集电区,发射结集电结,发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。,三极管的结构（续）,1.发射区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度,2.基区很薄,发射极E基极B集电极C,发射区基区集电区,发射结集电结,3.集电结的面积比发射结的面积大。,一、晶体三极管的结构及工作原理（续）,发

25、射区多子成为导电主体,发射区多子容易穿过基区漂移到集电区,集电区收集电荷能力强,三极管的工作原理,三极管各区的作用,发射区向基区提供载流子,基区传送和控制载流子,集电区收集载流子,放大作用的外部条件,发射结加正向电压，即发射结正偏,集电结加反向电压，即集电结反偏,注意：三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压才能起放大作用。,一、晶体三极管的结构及工作原理（续）,载流子的传输过程：NPN管的工作原理,发射结：发射结正偏时，发射区向基区扩散电子形成发射极电子电流IEn；其中少数电子在基区复合，形成了基区复合电流IBn，其余电子漂移到集电区；基区中的多子-空穴也向发射区注入，形成了空穴电流IEp

26、。,IB=IBnIEpICBO,IC=ICnICBO,IE=IEnIEp,集电结：发射区的大部分电子扩散到基区，在集电结电场的作用下，漂移到集电区形成集电极电子电流ICn。同时集电结反偏，集电区少子-空穴、基区少子-电子在电场的作用下形成了漂移电流ICBO。,ICBO,IEp,IE=IBICIEn=IBnICn,三极管的三种组态,双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入,两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态：,共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;,共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；,一、晶体三

27、极管的结构及工作原理（续）,共基组态直流放大系数,定义：以发射极电流作为输入电流，以集电极电流作为输出电流时，共基组态的直流放大系数定义为,的数值一般在0.9 0.99之间。,说明：从发射区注入的载流子绝大部分到达集电区，只有一小部分在基区复合。,共射CE组态直流放大系数,定义,输出电流,输入电流,IB=0时，,穿透电流,若 IBICBO，,共基交流电流放大系数,共射交流电流放大系数,共射电路的交流电压放大倍数,一、晶体三极管的结构及工作原理（续）,二、三极管的伏安特性曲线,三极管的伏安特性,指管子各电极的电压与电流的关系曲线。,Ib是输入电流，Ube是输入电压，加在B、E两电极之间。IC是输

28、出电流，Uce是输出电压，从C、E两电极取出。,输入特性曲线:Ib=f(Ube)Uce=C输出特性曲线:IC=f(Uce)Ib=C,共发射极接法三极管的特性曲线,特性曲线,三极管输入特性曲线,1.Uce=0V时，发射极与集电极短路，发射结与集电结均正偏，实际上是两个二极管并联的正向特性曲线。,2.当Uce 1V时,Ucb=Uce-Ube 0，集电结已进入反偏状态，开始收集载流子，且基区复合减少，特性曲线将向右稍微移动一些,IC/IB 增大。但Uce再增加时，曲线右移很不明显。通常只画一条。,非线性区,死区,线性区,Ib=f(Ube)Uce=C,正常工作区，发射极正偏 NPN Si:Ube=0.

29、60.7VPNP Ge:Ube=0.20.3V,特性曲线,三极管输出特性曲线,IC=f(Uce)IB=常数,截止区：Ib=0的曲线的下方的区域Ib=0 Ic=ICEO0 NPN：Ube0.5V,管子就处于截止态特点：发射结反偏，集电结反偏。,输出特性曲线可以分为三个区域:,饱和区:(1)IC受Uce显著控制的区域，该区域内Uce的数值较小，一般Uce0.7V(硅管)。特点：发射结正偏，集电结正偏(2)临界饱和时Uces=0.3V左右,放大区IC平行于Uce轴的区域，曲线基本平行等距。(1)发射结正偏，集电结反偏，电压Ube大于0.7V左右(硅管)。(2)Ic=Ib,即Ic主要受Ib的控制。(3

30、),2-2,判断三极管工作状态的依据：,饱和区:,发射结正偏，集电结正偏,截止区：,发射结反偏，集电结反偏,反偏：,Ube0.5V（Si),Ube0.2V（Ge),放大区:,发射结正偏，集电结反偏。,三极管的四种工作状态：,饱和工作状态:发射结正偏，集电结正偏,截止工作状态：发射结反偏，集电结反偏,放大工作状态:发射结正偏，集电结反偏,反向工作状态：发射结反偏，集电结正偏,三、三极管的参数,1.直流参数,共基直流电流放大系数,共射直流电流放大系数,级间反向饱和电流ICBO和ICEO,集电极基极间反向饱和电流ICBO ICBO的下标CB代表集电极和基极，O是Open的字头，代表第三个电极E开路。

31、Ge管：A量级 Si管：nA量级,集电极发射极间的穿透电流ICEO ICEO和ICBO有如下关系 ICEO=（1+）ICBO相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流。,极间反向饱和电流ICBO和ICEO,2.交流参数,共基交流电流放大系数,共射交流电流放大系数,特征频率fT,随着频率变换、下降为1时对应的频率。,集电极最大允许电流ICM,当集电极电流增加时，就要下降，当 值下降到线性放大区 值的2/3时所对应的最大集电极电流。,3.极限参数,当IcICM时，并不表示三极管会损坏。只是管子的放大倍数降低。,集电结最大允许功率损耗PCM,集电极电流通过集电结时所产生的功耗，PCM=IcUcb

32、 因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往往用Uce取代Ucb，PCMIC Uce,反向击穿电压UCEO、UEBO、UCBO,UCEO 表示基极B开路时，CE之间允许施加的最大反向电压。,UCEO,UEBO 表示集电极C开路时，EB之间允许施加的最大反向电压。,UEBO,UCBO 表示发射极E开路时，CB之间允许施加的最大反向电压。,UCBO,击穿电压之间的关系：UCBOUCEO UEBO,UCES,UCER,击穿电压之间的关系:UCBO UCES UCER UCEOUEBO,反向击穿电压UCES、UCER,UCES 表示B-E短路(short)时，CE之间允许施加的最大反

33、向电压。,UCER 表示基极B加电阻时(Resistance)时，CE之间允许施加的最大反向电压。,晶体管的安全工作区,UCEO,UCE/V,集电极最大允许功率：PCMIC UCE,四、温度对三极管参数的影响,温度,基极门限电压UBEO,集电极反向饱和电流ICBO,电流放大倍数,小 结,晶体三极管是电流控制元件，通过控制基极电流或射极电流可以控制集电极电流。要使三极管正常工作并有放大作用，管子的发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。三极管的特性可用输入和输出特性曲线来表示，也可用特性参数来表示。主要的特性参数有：电流放大系数、，极间反向电流Icbo、Iceo，极限参数ICM、PCM和BUCE

34、O。,例题：某放大电路中双极型晶体管3个电极的电流如图所示。已测出,试分析A,B,C中哪个是基级、发射极？该管的为多大？,解：有图分析,根据晶体管放大电路的特点可知A为集电极，B为基极，C为发射极。,分析：对于BJT（or三极管），有,填空：1.放大电路中，已知三极管三个电极的对地电位为VA=-9V，VB=-6.2V，VC=-6V，则三极管是_三极管，A为_极_，B为_极，C为_极。,答：PNP，A是集电极，B是基极，C是发射极。,2.硅二极管正向导通压降约为_，锗二极管正向导通压降约为_。,3.测量某硅管BJT各电极对地的电压值如下，说明管子工作的区域：（1）VC=6V，VB=0.7V，VE

35、=0V,答案：（1）放大区（2）饱和区(3)截止区,答：0.60.7V，0.20.3V，。,（2）VC=3.6V，VB=4V，VE=3.3V,（3）VC=6V，VB=4V，VE=3.7V,选择填空：1.当温度升高时，半导体三极管的（），穿透电流ICEO（），Vbe（）。,A变大 B变小 C不变,答：A，A，B,2.3AX22型三极管的极限参数为：V（BR）CEO=18V，ICM=100mA，PCM=125mW，试判断下列各静态工作点参数属于正常范围的是（）。,答：B,A.ICQ=34mA，VCEQ=4V，B.ICQ=10mA，VCEQ=10V,C.ICQ=110mA，VCEQ=1V，D.ICQ

36、=5mA，VCEQ=20V,2.5 场效应管及其基本放大电路,一、场效应管概述二、MOS场效应管（MOSFET）三、结型场效应管（JFET)(略)四、场效应管的主要参数及特点,一、场效应管概述,根据结构场效应管的分类,结型场效应管JFET,MOS型场效应管,场效应管（Field Effect Transistor，FET）：是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是以输入电压控制输出电流的的半导体器件。也称为单极型晶体管。,结型场效应管：Junction Field Effect Transistor,JFET,MOS型场效应管：Metal Oxide Semiconductor FET,MOS

37、FET,根据载流子场效应管的分类,N沟道FET：电子作为载流子P沟道FET：空穴作为载流子,一、场效应管概述(续）,场效应管与晶体管的区别,1.晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。2.晶体管参与导电的是电子空穴，因此称其为双极型器件；场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子，因此称其为单极型器件。3.晶体管的输入电阻较低，一般102104；场效应管的输入电阻高，可达1091014。4.其他：FET体积小、重量轻、寿命长、热稳定、更便于集成、易受静电影响。,MOS场效应管,N沟道增强型的MOS管,P沟道增强型的MOS管,N沟道耗尽型的MOS管,P沟道耗尽型的MOS管,MOS场效

38、应管分类,二、MOS场效应管,N沟道增强型MOS场效应管结构,漏极D集电极C,源极S发射极E,栅极G基极B,衬底B,电极金属绝缘层氧化物基体半导体因此称之为MOS管,1.增强型MOS场效应管,栅极G基极B源极S发射极E漏极D集电极C,场效应管的工作原理,N沟道增强型绝缘栅型MOSFET,N+,P,d,g,s,铝,二氧化硅,反衬层,耗尽层,N+,B,开启电压UGS,th,预夹断UDS=uGS-UGS,th,1、导电沟从无到有2、UGS0,UDS0,Uds=C0,uGS=C0,(1)当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论UDS之间加上电压不会在D、S间形成电流ID,即ID0.,(2

39、)当0UGSUGS,th时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。,N沟道增强型MOS场效应管工作原理,-,-,-,-,说明：开始无导电沟道，当在UGSUGS,th时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管。,栅极G基极B源极S发射极E漏极D集电极C,(4)当UGSUGS,th时,导电沟道逐渐加厚，沟道电阻减少，在相同UDS的作用下，ID将进一步增加。,(3)当UGS=UGS,th时,在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在UDS的作用下形成ID。,漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用,分析条件:UGS为某一固定值,UGSUGS,th。,（1）UDS0，UDS较小

40、(UGDUGS.th),分析过程：,增强型MOS管,当UDS为0或较小时,UGDUGS.th即UDS UGS UGS,th，UDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在UDS作用下形成ID。,UDS=UDGUGS=UGS UGD UGD=UGSUDS 显然UDS减小，UGD增大。,(2)UDS0,使UGDUGS.th UDS增加，UGD减小，UGD=UGS.th时,即UDS=UGS UGS,th，这相当于UDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。此时的漏极电流ID 基本饱和。,当UDS继续增加，UGDUGS.th时，即UDS UGS UGS,th，此时预夹断区域加长，伸向S极

41、。UDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变。,UGD=UGSUDS,问题：UDS电压反接是否能正常工作？,N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,增强型MOS管,定义：UDS一定时，UGS对漏极电流ID的控制关系曲线 ID=f(UGS)UDS=C,转移特性曲线,UGS,th,在恒流区，ID与UGS的关系为,IDK(UGS-UGS,th)2,K为导电因子。,UGS,th称为开启电压或阈值电压。,IDK(UGS-UGS,th)2（1+UDS),其中：K导电因子（mA/V2),沟道调制长度系数,n沟道内电子的表面迁移率COX单位面积栅氧化层电容W沟道宽度L沟道长度Sn沟道长宽比K

42、本征导电因子,IDK(UGS-UGS,th)2,不考虑UDS对沟道长度的调节作用时,沟道较短时，应考虑UDS对沟道长度的调节作用(略)：,定义：UGS一定时，ID与UDS的变化曲线。若干不同UGS对应一族曲线 ID=f(UDS)UGS=C,输出特性曲线,输出特性曲线有三个区：（1）可变电阻区（或 恒阻区）（2）恒流区（或放大区）（3）击穿区,输出特性曲线,1.可变电阻区条件：UDSUGS-UGS,th 特点：ID与UDS的关系近似为线性：ID 2K(UGS-UGS，th)UDS,当UGS变化时，RON将随之变化因此称之为可变电阻区；当UGS一定时，RON近似为一常数因此又称之为恒阻区。,输出电

43、阻（DS间的电阻）为,2.恒流区 UGS一定，ID基本不随UDS变化而变，,3.击穿区 UDS 增加到某一值时，ID开始剧增而出现击穿。该临界UDS称为漏源击穿电压。,IDK(UGS-UGS,th)2,可变电阻区,增强型MOS管,MOS管衬底的处理,保证两个PN结反偏。,NMOS管UBS加一负压,PMOS管UBS加一正压,处理方法：,N沟道耗尽型MOS场效应管结构,2.耗尽型MOS场效应管,+,耗尽型MOS管存在原始导电沟道,耗尽型MOS管,当UGS=0时，UDS加正向电压，产生漏极电流ID,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示。当UGS0时，将使ID进一步增加。当UGS0时，随着U

44、GS的减小漏极电流逐渐减小直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压,用Uth,off表示。,N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理,转移特性曲线,耗尽型MOS管,N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线,沟道较短时，或考虑漏源之间的电压时，有,IDK(UGS-UGS,off)2（1+UDS),转移特性曲线,当UGSUGS,off，且未击穿时，,输出特性曲线,比较：N沟道耗尽型MOS管可工作在UGS0或UGS0。N沟道增强型MOS管只能工作在UGS0。,耗尽型MOS管,各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线小结,绝缘栅场效应管,N沟道增强型,P沟道增强型,绝缘栅场效应管,N沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,各类

45、绝缘栅场效应三极管的特性曲线小结（续）,结型场效应管（JFET)结构,结型场效应管（JFET)分类,可分为N沟道和P沟道两种，输入电阻约为107。,G,S,D,N沟道结型场效应管,导电沟道,三、结型场效应管(略）,结型场效应管,结型场效应管（JFET)的工作原理,根据结型场效应三极管的结构，因它没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下，对于N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。,S,N沟道结型场效应管,(1)当UGS=0时，沟道较宽，在UDS的作用下N沟道内的电子定向运动形成漏极电流ID。(2)当UGS0时，PN结反偏，

46、PN结加宽，漏源间的沟道将变窄，ID将减小。当UGS继续向负方向增加，沟道继续变窄，耗尽层在漏极附近相遇，称为预夹断。,预夹断,UGS=UGS,off夹断状态ID=0,栅源电压对沟道的控制作用:,（3）当UGS继续向负方向增加，耗尽层在源极附近相遇称为全夹断，此时ID为0。当漏极电流为零时所对应的栅源电压UGS称为夹断电压UGS,off。,UGS,结型场效应管,结型场效应管（JFET)的特性曲线,与MOS管的特性曲线基本相同，只不过MOS的栅源电压可正可负，而结型场效应三极管的栅源电压只能是为负。,UGS,off,转移特性曲线,输出特性曲线,可变电阻区,结型场效应管,N沟道耗尽型,P沟道耗尽型

47、,四、场效应管的主要参数及特点,直流参数,2.饱和漏极电流IDSS 耗尽型MOSFET、JFET，当UGS=0时所对应的漏极电流。,1.阈值电压（or称为开启电压、夹断电压)漏源电压UDS恒定时，使ID=0时的临界电压。增强型MOSFET阈值电压用UGS,th表示，也成为开启电压；耗尽型MOSFET和JFET阈值电压用UGS,off表示，也称为夹断电压。,3.直流输入电阻RGS栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流IGS之比。结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107，绝缘栅场效应三极管RGS约是1091015。,1.低频跨导gm 低频跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制作用,gm的求法:图解

48、法：gm实际就是转移特性曲线 i D=f(uGS)的斜率解析法：如增强型MOS管存在 iD=K(uGS-UGS,th)2,交流参数,gm与 iD成正比关系。,练习：计算低频跨导gm。,显然：gm大小与工作点有关,ID越大,gm越大。,2.衬底跨导gmb反映了衬底偏置电压对漏极电流ID的控制作用,跨导比,交流参数,3.动态漏极电阻rds,反映了uDS对iD的影响，实际上是输出特性曲线上工作点切线上的斜率。一般是几十几百千欧姆。,交流参数,4.极间电容,Cgs栅极与源极间电容，约13PFCgd 栅极与漏极间电容，约13PFCsd 源极与漏极间电容，约0.11PFCgb 栅极与衬底间电容Csb 源极

49、与衬底间电容Cdb 漏极与衬底间电容,主要的极间电容有：,交流参数,2.漏源击穿电压UDS,B(或用符号BUDS 表示）使ID开始剧增时的UDS。,1.栅源击穿电压UGS,B(或用符号BUGS表示）JFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压。MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压。,极限参数,3.最大漏极电流IDM 管子正常工作时漏极电流的上限值。,4.最大漏极耗散功率PDM PD=iDuDS,应用：根据IDM、PDM、UDS,B可以确定管子的安全工作区。,附录,1.与双极型三极管相同第三位字母 J 代表结型场效应管，O 代表绝缘栅型场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅N沟 道；C是N型硅P沟道。

50、例如3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。,CS代表场效应管，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。,场效应三极管的型号现行有两种命名方法：,2.第二种命名方法是CS#：,小 结,结型有N沟道和P沟道两种，栅源必须加反偏压才能工作，如N沟道在UGS0下工作。,绝缘栅场效应管有N沟道增强型、N沟道耗尽型、P沟道增强型、P沟道耗尽型四种类型。增强型不存在原始导电沟道，UGS只在单一极性或正或负工作；而耗尽型存在原始沟道，UGS可正可负。,2.场效应管是单极型电压控制器件，具有输入电阻高，一 般可达109。,填空：